2.1 Sentaurus TCAD仿真软件介绍

Sentaurus TCAD^[1]仿真软件是一种建立在物理基础上的数值仿真工具，它提供一个用于半导体工艺和器件模拟的综合环境，既可进行工艺流程的仿真和器件的描述，又可模拟器件、电路性能及电缺陷等。该软件的特点如下：具有高水平的生成环境；综合了从晶圆到 SPICE 参数的完整模拟过程；实现了参量分析、试验设计、与程序环境相匹配的计算最优化；具备与其他模拟和数据后处理工具综合的开放性结构等。

2.1.1 软件框架

Sentaurus TCAD仿真软件主要包括以下几个工具包：GENESISe主窗口、工艺仿真工具（DIOS等）、器件描述工具（DEVISE、MDRAW、MESH等）、器件仿真工具（DESIS）及数据分析和输出工具（INSPECT、Tecplot-ISE 等）。典型的器件仿真流程如下：首先利用工艺仿真工具创建器件结构及掺杂浓度文件，然后使用器件描述工具进行器件网格和掺杂浓度的优化，接着利用器件仿真工具进行器件特性的模拟，最后通过数据分析工具输出、处理数据^[1-3]。

Sentaurus TCAD仿真软件由许多独立的模块构成，这些模块按功能可分成以下四类：结构生成模块、网格划分模块、器件仿真模块、数据处理及可视化模块^[2]。

（1）结构生成模块有两种：工艺仿真器（Sentaurus Process，简称 sprocess）和器件结构编辑器（Sentaurus Structure Editor，简称sde），其中sprocess完全模拟了半导体工艺流程，如氧化、离子注入和激活、扩散、淀积、刻蚀等；sde 通过定义结构、材料、掺杂浓度等参数直接生成器件结构。

（2）网格划分模块有两种：Sentaurus Mesh（简称snmesh）和nOffset，snmesh适用于生成轴对齐网格，如矩形、立方体等结构，并且可以集成在 sde 内部进行调用；nOffset适用于生成非轴对齐网格，如圆形、斜面、圆柱体等。

（3）器件仿真模块主要是Sentaurus Device（简称sdevice），其输入文件主要由以下几部分组成：File模块，用于读入sprocess或sde生成器件结构文件及用户定义的参数文件，并定义 sdevice 的输出文件及其格式；Electrode 模块，定义器件电极及其参数，并设定器件的初始边界条件；Physics 模块，用于选择全局或局部区域的物理模型；Plot 模块，用于选择需要输出的物理场分布信息，如电势分布、载流子浓度分布等；Math模块，用于选择、配置求解器，并设置迭代次数、误差容限等参数；Solve模块，用于配置求解过程，计算最终结果。

（4）数据处理及可视化模块主要有两种：Inspect 和 Sentaurus Visual（简称svisual）。Inspect处理并显示sdevice输出的数据文件（*.plt），可用于显示器件的电学特性曲线，如跨导特性、输出特性等；此外，Inspect 还可用于提取参数，如阈值电压、小信号跨导等。svisual 处理并显示 sdevice 输出的二维或三维场分布文件（*.tdr），可用来查看器件内部的物理场分布情况。

以上列出了 Sentaurus TCAD 仿真软件的几种主要功能模块，这些功能模块都集成在Sentaurus Workbench（简称swb）下。由于软件的各个功能模块之间通过文件传递信息，当仿真数量增多后，文件管理会变得复杂。swb 的基本思想是将各个功能模块的输入文件参数化，将变化的参数（如器件栅长、掺杂浓度等）定义为变量并显示在 swb 的图形用户界面中，以方便管理。对于各个功能模块的每次仿真，swb 都为其分配一个唯一的节点号，以与其他仿真进行区分。图2.1中给出了Sentaurus TCAD仿真软件的仿真流程及软件界面。

图 2.2 中给出了 Sentaurus TCAD 仿真软件中的工具及产生文件的设计流程示意图。下面简要介绍几种主要工具^[3]。

（1）DEVISE：主要用于器件二维结构和三维结构及其工艺的模拟。它包括三种模式：二维结构设计、三维结构设计和三维工艺模拟。在设计器件结构时，可通过图形用户界面（Graphical User Interface，GUI）或编写代码，应用简单的几何图形建立复杂的器件结构。DEVISE 除了设计器件的几何结构，还设置材料、掺杂浓度、网格划分精度及划分策略等，为网格划分提供必要的配置文件，如后缀为.grd的网格文件及后缀为.dat的数据文件等。

（2）MESH：基于四叉树或八叉树技术，产生适用于半导体器件仿真的高质量空间离散化网格，与器件维数无关。该工具具有如下特征：精细模板处理的空格内嵌法、混合的单元网格或四面体网格、适用于边界的规则类栅极网格、坐标轴上的高度各向异性原理、高梯度数据的自适应算法等。

（3）DESSIS：用于模拟一维、二维和三维半导体器件电、热和光的特性，也可用于器件和电路的混合模拟。它包含先进的物理模型和强大的数值计算方法，可模拟的器件范围从深亚微米 MOSFET 到尺寸很大的二极管功率器件。通过求解一系列的数理方程，获得器件终端的电性表征量，如电流、电压和电荷等。

（4）INSPECT：用于数据的显示和分析处理。它提供三种方式来处理数据：GUI、高级语言和交互语言。通过对数据的简单处理，给出相应的曲线。

2.1.2 FD-SOI器件仿真的物理模型

Sentaurus TCAD 仿真软件的器件特性仿真建立在大量物理模型基础上，下面以 FD-SOI 器件为例，介绍仿真中所用的物理模型。FD-SOI 器件 TCAD 仿真物理模型如表2.1所示。

Sentaurus Device 中的载流子输运模型有三种：扩散-漂移模型、热力学模型和流体力学模型。在纳米尺寸器件中，扩散-漂移模型无法对载流子速度过冲进行精确描述^[1]，且由扩散-漂移模型得到的碰撞电离率常常高于实际值，因此这一模型在纳米 FD-SOI 器件中并不适用。这里采用流体力学模型（Hydrodynamic模型），该模型考虑了能带结构、掺杂浓度梯度、载流子温度梯度及载流子有效质量对电流密度的影响，对纳米级器件具有较高的计算精度，且计算速度较快。

在迁移率退化效应方面，Sentaurus Device使用模块化方法描述载流子的迁移率变化，最简单的情况是只考虑晶格温度对载流子迁移率的影响。在掺杂半导体中，杂质原子会使载流子发生散射，降低其迁移率，故在仿真中需将 Doping-dependent模型考虑在内。在Si/SiO₂界面处，载流子会因表面声子和表面粗糙性发生散射而降低迁移率，故需要在仿真中引入由面引起的迁移率退化模型，即 Enormal 模型。此外，载流子之间的散射效应也应考虑在内，需要引入BrooksHerring模型。最后，需要考虑载流子在强电场下的迁移率退化，引入高场饱和模型，即 High Field Saturation模型。

产生-复合模型用于描述杂质在导带和价带之间交换载流子的过程，在器件物理特性分析中非常重要。这里所用的产生-复合模型包括Auger和SRH复合模型。Auger模型主要发生在重掺杂的Si中，特点是在电子空穴复合时激发出第三个粒子，它描述了当电子与空穴复合时，把能量通过碰撞转移给另一个电子或空穴，造成该电子或空穴跃迁的复合过程。SRH（Shockley-Read-Hall）模型，也称通过复合中心的复合过程，描述了陷阱中心同时俘获电子和空穴时所发生的载流子复合。

当器件尺寸缩减到纳米尺度时，量子效应变得不可忽略。Sentaurus Device提供了 4 种量子化模型，其中密度梯度量子化（Density Gradient Quantization）模型可对小尺寸器件的终端特性和电荷分布进行精确描述，适用于 SOI 结构MOSFET 的仿真。与其他模型相比，密度梯度量子化模型还适用于二维和三维结构的器件仿真。

在当前的微电子器件中，隧道击穿（以下简称隧穿）已成为一个非常重要的物理效应。隧穿效应会在薄栅氧层器件中引起栅极漏电流，且在一些存储器如EEPROM 中，隧穿效应是器件正常工作的必要条件。Sentaurus 提供三种隧穿模型，这里采用非局域模型（Nonlocal），它适用于描述肖特基结、异质结及栅氧层中发生的隧穿效应，且适用于任意势垒形状的情形。